[发明专利]一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法

说明书

本发明公开了一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法，该方法包括进行控制参数、初始条件和其他变量的初始化；执行M×N×b次回路，M和N分别表示明文图像的宽度和高度，b表示一个像素的字节数；通过使用分段线性混沌映射生成用于接下来的S盒和P盒的参数；用前一个回路生成的密文字节来简单掩蔽当前的明文字节；执行r轮的前述代换S盒与置P盒。本发明与近来提出的基于混沌密钥的算法不同，改善了混沌映射的平衡特性；在C++环境下做了实验，结果表明算法是有效的，在保持加密算法性能的情况下，可以同时保证并大大改善图像的压缩比。

技术领域

本发明属于网络上图像的压缩和加密处理技术领域，尤其涉及一种用于静止图像的基于混沌密钥加密方法。

背景技术

一般来说，数据传输尤其是静止图像的传输必须达到两个目标，公共通讯网络所负荷的数据的限量还原以及发送信息的最大安全性(Li等，2009；Hussain等，2015；Lu等，2016)。信息安全性是指数据保密性、数据完整性、数据认证以及数据的不可否认性。数据保密性是这一研究中所感兴趣的，在于将数据对所有那些未被授权的人士进行保密。为了达到这两个目标，有必要采用加密压缩方法。对于加密方法来说，多尺度变换由于可以兼顾基本结构以及图像中包含的小细节，显得很有意思(Yang等，2009；Mao等，2004；Liu等，2015)。最近，基于混沌映射的图像加密方法因有进行数字多媒体加密的潜力而引起了广泛关注(Yen等，2000；Li等，2000；Chen等，2004；Gao等，2008；Cheddad等，2010；Wang等，2011；Besharatei等，2013；Mirzaei等，2016)。Yen等(2000)提出了用于图像加密的基于混沌密钥的算法(Chaotic-key Based Algorithm，CKBA)。随后，Li等(2000)指出CKBA的安全性被极度高估，并且CKBA易受几种类型的攻击。不仅可攻击CKBA的唯密文攻击的复杂性要求远低于原本声称的那样，而且事实上Li等(2000)描述过的已知/选择明文攻击也可攻击CKBA。如Li等(2000)所述，抵抗唯密文攻击的安全性可通过密钥长度的增加而得以增强。所提出的基于混沌的加密方案主要采用混沌映射来生成一个随机序列以置换明文图像的像素，以及生成伪随机位序列以代换这些像素，从而获得一张加密的图像(Riaz等，2012；Solak等，2010；Li等，2013)。然而，如此简单的对策并不能改善对抗已知/选择明文攻击的安全性。基于最初CKBA的思想，基于一个一维逻辑映射。这个一维逻辑映射已经被指出不可避免地易受已知/选择明文攻击，而且声称的可抵抗唯密文攻击的高安全性其实是其作者高估的结果。而且，逻辑映射会产生不平衡输出。在统一的系统内，JPEG2000标准能更好地容许不同成像模式(客户机/服务器、实时传输、图像库存档、有限缓冲器和带宽资源等)，JPEG2000标准被建立来在统一的系统内更好地为带有不同特征(自然图像、科学图像、医学图像、遥感图像、文本图像与渲染的图形等)的不同类型的静止图像(二值图像、灰度图像、彩色图像与多组分图像)创建新的图像编码系统(Skodras等，2001)。这一编码系统在不影响率失真谱里其他点的性能且同时集成了许多有趣的功能的情况下，会提供率失真和主观图像质量性能均优于现有标准的低比特率运算。如下列出一些该标准的最重要的特点(Christopoulos等，2000)：卓越的低比特率性能，连续色调与二值压缩，无损与有损压缩，按像素精度和分辨率渐进传输，感兴趣区(Region-of-interest，ROI)编码，开放式架构，对比特错误的强健性，受防护的图像安全性，基于内容的描述，侧通道空间信息，随机码流访问和处理。有效而完整的JPEG2000码流被包含在连续码流块中。当图像被显示的时候，合格的阅读器应该忽视掉文件中找到的首个码流之后的所有码流。码块的内容被组织成一个由标记、标记段和比特流组成的集。许多基于混沌映射的图像加密算法已经被提出(Wong等，2008；Ye等，2012；Ye等，2013；Diaconu等，2013；Zhu，2012；Kwok等，2007)。CKBA基于一维逻辑映射。而基于混沌映射的图像加密方法因有进行数字多媒体加密的潜力而受到了广泛关注。本质上，CKBA是一个值转换加密程序。M×N大小的图像I的CKBA加密通过以下步骤实现：选出2个8位机密密钥k₁和k₂，和一维混沌系统的一个16位机密初始条件X(0)。迭代运行这一混沌系统以生成由16位数组成的一个序列。如果I(x，y)是明文图像I中的一个8位像素值，且0≤x<M而0≤y<N，那么相应的密文像素由以下规则定义：